第七章数字地面模型及其应用

1、第七章第七章 数字地面模型及其应用数字地面模型及其应用7.1 数字地面模型的概念数字地面模型的概念 7.2 DEM常用数据模型常用数据模型7.3 DTM数据的采集数据的采集7.4 DEM模型的建立模型的建立7.5 地形三维可视化地形三维可视化7.6 DTM的应用的应用7.1 数字地面模型的概念数字地面模型的概念 地理空间实质是三维的，只是人们通常在二维地理空间上描述地理空间实质是三维的，只是人们通常在二维地理空间上描述和分析空间的分布。如专题图大多数是平面图。和分析空间的分布。如专题图大多数是平面图。DTM模型（模型（Digital Terrain Model) 于于50年代由年代由MIT摄影

2、测量实摄影测量实验室提出，是用数字形式描述地形表面的模型。实质上这是对验室提出，是用数字形式描述地形表面的模型。实质上这是对地面形态和属性信息的数字表达。地面形态和属性信息的数字表达。当当DTM模型中数字属性为高程时称数字高程模型，即模型中数字属性为高程时称数字高程模型，即DEM模型模型（ Digital Elevation Model)。DEM模型是模型是DTM模型的一种特模型的一种特例。从测绘的角度看，例。从测绘的角度看，DEM模型是新一代的地形图，它通过存模型是新一代的地形图，它通过存储在介质上的大量地面点空间数据和地形属性数据，以数字形储在介质上的大量地面点空间数据和地形属性数据，以数

3、字形式来描述地形地貌。式来描述地形地貌。 7.2 DEM的常用数据模型的常用数据模型一、规则格网（规则格网（grid)grid)模型模型1 1、模型的表示模型的表示 Z Z11 11 Z Z12 12 Z Z13 13 Z Z1n1nDTM = DTM = Z Z21 21 Z Z22 22 Z Z23 23 Z Z2n2n Z ZM1 M1 Z ZM2 M2 Z ZM3 M3 Z ZMnMn 平面上的任意一点平面上的任意一点Z Zijij的坐标为的坐标为x x i i y yi i，其中其中 x x i i=x=x0 0 +i dx +i dx y yi i = = y y0 0 +j dy

4、 +j dy dx,dy dx,dy 分别是格网在分别是格网在x x和和y y方向上的间隔；方向上的间隔； nx, nynx, ny分别为分别为x x 和和y y方向上的格网数；方向上的格网数； i=0, 1, 2. nx - 1; j= 0, 1 , 2 ny - 1 ;i=0, 1, 2. nx - 1; j= 0, 1 , 2 ny - 1 ;2、格网的含义、格网的含义用规则采样点，或把不用规则采样点内插成规则点，以矩阵形用规则采样点，或把不用规则采样点内插成规则点，以矩阵形式来表地面形状。它已成为栅格数据结构中式来表地面形状。它已成为栅格数据结构中DTM的通用形式。的通用形式。3、格网

5、的生成、格网的生成内插方法：内插方法：1）距离加权法）距离加权法2）双线性插值法）双线性插值法3）趋势面插值法）趋势面插值法4）样条插值法）样条插值法5）克吕格插值法）克吕格插值法4、规则格网模型的优缺点、规则格网模型的优缺点优点优点1）数据结构简单，算法实现容易。）数据结构简单，算法实现容易。2）容易计算等高线、坡度、坡向、自动提取地域地形等。）容易计算等高线、坡度、坡向、自动提取地域地形等。缺点缺点1）数据量大；）数据量大；2）对不同地形采用一律平等的规则格网，不利于表示复杂地形。）对不同地形采用一律平等的规则格网，不利于表示复杂地形。二、不规则三角网二、不规则三角网 (Triangula

6、ted Irregular Network TIN）模型）模型 1、模型的表示模型的表示 点文件点文件 三角形文件三角形文件 点号点号 坐标点坐标点 三角形号三角形号 顶点顶点 邻接三角形邻接三角形 N1 X 1 Y1 Z1 T1 N1 N5 N6 T2 T5 / N2 X 2 Y2 Z1 T2 N1 N4 N3 T1 T3 T6 N3 X 3 Y3 Z1 T3 N1 N2 N4 / T4 T2 N4 X 4 Y4 Z4 T4 N2 N3 N4 T3 / T8 N5 X 5 Y5 Z5 T5 N8 N5 N6 T1 / T6 N6 X 6 Y6 Z6 T6 N4 N5 N8 T2 T5 T7

7、N7 X 7 Y7 Z7 T7 N4 N7 N8 T6 T8 / N8 X 8 Y8 Z8 T8 N3 N4 N7 T4 T7 / T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 N1N6N2N8N7N 3N4N52、不规则三角网规则的生成、不规则三角网规则的生成3、不规则三角网规则格网模型的优缺点、不规则三角网规则格网模型的优缺点不规则三角网不规则三角网 模型的优点：模型的优点：1）克服栅格数据中的数据允余问题）克服栅格数据中的数据允余问题2）可充分表示复杂的地形特征，它能适应起伏不同的地形，用大）可充分表示复杂的地形特征，它能适应起伏不同的地形，用大量三角形地面形态效率高，数据精度高。量三

8、角形地面形态效率高，数据精度高。不规则三角网不规则三角网 模型的缺点：模型的缺点：1）算法实现复杂，由于形成三角网）算法实现复杂，由于形成三角网 方法不同有不同算法方法不同有不同算法2）对特殊的地形线要调整）对特殊的地形线要调整7.3 DTM数据的采集数据的采集1、DTM数据源的种类数据源的种类1）航空航天遥感影像为数据源）航空航天遥感影像为数据源2）以地形图为数据源）以地形图为数据源3）以地面实測记录为数据源）以地面实測记录为数据源4）其它数据源）其它数据源2、DTM数据源的采集数据源的采集1）数据采集的方法）数据采集的方法2）数据采集的原则）数据采集的原则 3、数据采集的后处理、数据采集的

9、后处理采集的采集的DEM数据必需进行后处理方可应用，后处理包括：数据必需进行后处理方可应用，后处理包括：1）格式转换）格式转换2）坐标转换）坐标转换3）数据编辑处理）数据编辑处理4 ) 数据分块数据分块 4、数据密加的增加和插值、数据密加的增加和插值数据加密和插值的核心问题是确定内插方法，任何一种内插方法都数据加密和插值的核心问题是确定内插方法，任何一种内插方法都是基于原始函数光滑性，也就是说认为临近数据点之间存在很大的是基于原始函数光滑性，也就是说认为临近数据点之间存在很大的相关性。相关性。7.4 DTM模型的建立模型的建立 这里举例说明用地形图生成格网这里举例说明用地形图生成格网DEM扫描

10、仪扫入地形图扫描仪扫入地形图预处理获得二值等值线预处理获得二值等值线细化二值等高线图细化二值等高线图跟踪赋值高程值跟踪赋值高程值插值生成插值生成DTM数据数据显示三维地面模型显示三维地面模型7.5 DTM模型的可视性化模型的可视性化 在在GIS的发展历程中，一开始就十分重视利用计算机技术，实现的发展历程中，一开始就十分重视利用计算机技术，实现空间数据的图形显示和分析。以充分直观的表示空间数据处理分析空间数据的图形显示和分析。以充分直观的表示空间数据处理分析的结果。因此，从某种意义上说的结果。因此，从某种意义上说GIS的可视化研究早于科学计算可的可视化研究早于科学计算可视化的研究。视化的研究。一

11、、地形三维显示的步骤一、地形三维显示的步骤1、获取地形数据、获取地形数据2、生成数据高程模型、生成数据高程模型3、进行可视化处理、进行可视化处理4、进行三维显示、进行三维显示二、 GIS可视化研究的几个技术可视化研究的几个技术 地形三维可视化的主要内容：地形三维可视化的主要内容：1）建立数字高程模型；）建立数字高程模型；2）图形的投影变换技术；）图形的投影变换技术；3）图形的消隐技术和裁剪技术；）图形的消隐技术和裁剪技术；4）光照模型和彩色合成技术。）光照模型和彩色合成技术。 三、地形三维显示的方式三、地形三维显示的方式1、线框法、线框法通过物体的三维边缘框架来表示物体的几何形状。即将地物表面

12、通过物体的三维边缘框架来表示物体的几何形状。即将地物表面按一定间隔获取数据点，连成折线或曲线，经投影变换后显示。按一定间隔获取数据点，连成折线或曲线，经投影变换后显示。 2、表面法、表面法线框法用地物的边线来显示表面形状。线框法用地物的边线来显示表面形状。表面法将整个数据模型看作一个大的复杂空间曲面，来显示地物表表面法将整个数据模型看作一个大的复杂空间曲面，来显示地物表面形状。具体安排时将表面分成很多格网以此为面元，作为基本单面形状。具体安排时将表面分成很多格网以此为面元，作为基本单元进行处理。面元具有各自的属性可独立进行填充消阴显示。元进行处理。面元具有各自的属性可独立进行填充消阴显示。3、

13、体素法、体素法体素法具有真正意义上的三维显示，它将空间物体分成很多的体元体素法具有真正意义上的三维显示，它将空间物体分成很多的体元素，如长方体、台面体，作为基本单元进行处理。体元具有真三唯素，如长方体、台面体，作为基本单元进行处理。体元具有真三唯特性。特性。四、地形的三维叠置技术地形的三维叠置技术1）点要素和三维地形的叠置）点要素和三维地形的叠置2）线要素和三维地形的叠置）线要素和三维地形的叠置3）面要素和三维地形的叠置）面要素和三维地形的叠置五、五、DTM模型的可视化分析模型的可视化分析1、通视性分析、通视性分析两点之间的通视性（两点之间的通视性（intervisibility)指在指在A点

14、是否能看到点是否能看到B点。常用的方法：点。常用的方法：1）剖面线分析法）剖面线分析法2）射线追踪分析法）射线追踪分析法ABA B B A C2、可视域分析、可视域分析7.6 DTM模型的应用模型的应用一、一、 DTM模型在地图制图中的应用模型在地图制图中的应用二、二、 DTM模型在地形分析中的应用模型在地形分析中的应用1、用、用DTM模型定义坡度和坡向模型定义坡度和坡向 坡度定义为地形表面和水平面之间夹角的正切值；坡度定义为地形表面和水平面之间夹角的正切值； 坡向定义为地形表面法线在水平面上的投影与正北方向之间夹角。坡向定义为地形表面法线在水平面上的投影与正北方向之间夹角。 阴阴 阴阴 半阴

15、半阴 半阴半阴 半阳半阳 半阳半阳 阳阳 阳阳 坡度的定义坡度的定义 坡向的定义坡向的定义 坡度角坡度角 法线法线 地面地面2、用、用DTM模型计算坡度和坡向模型计算坡度和坡向坡度和坡向的计算通常使用坡度和坡向的计算通常使用3*3的窗口，将其在的窗口，将其在DEM高程矩阵中连续移动，从高程矩阵中连续移动，从而完成整幅图的计算而完成整幅图的计算 Z 2 Z 2 x y Z Z i,j+1 - Z i,j-1 x = 2 x Z Z i+1,j - Z i-1,j y = 2 y x y 分别是格网在分别是格网在x方向和方向和y方向上间隔方向上间隔坡向坡向 Dir= - Z y坡度坡度=tg =i

16、-1 j-1 i-1,j i-1,j+1i+1 j-1 i+1,j i+1,j+1i j-1 i,j i,j+1 Z / x =tgA - A 0 AND ( Zi-1,j - Zi,j )* ( Zi+1,j - Zi,j) 0 AND Zi,j+1 Zi,j AND Zi+1,j Zi,j 2) 脊点脊点 满足下面满足下面4个条件个条件 ( Zi,j-1 - Zi,j )* ( Zi,j+1 - Zi,j) 0 AND ( Zi,j-1 - Zi,j )* ( Zi+1,j - Zi,j) 0 AND Zi,j+1 Zi,j AND Zi+1,j Zi,j 3) 沟谷密度沟谷密度 D =

17、L/ A 其中其中A是区域的面积；是区域的面积；L是区域内沟谷总长度。是区域内沟谷总长度。4) 沟谷深度沟谷深度 i,j-1 i,j i,j+1 i-1,j-1 i-1,j i-1,j+1 i+1,j-1 i+1,j i+1,j+1三、三、DTM模型的应用例模型的应用例1、DTM模型在土方计算中的应用模型在土方计算中的应用平整高度平整高度填充高度填充高度hi hiNi=1Nh1 h2 h32、 DTM模型对地表形态进行自动分类模型对地表形态进行自动分类首先确定用DTM模型对地表形态进行自动分类的决策条件。模型对地表形态进行自动分类的决策条件。如如 平地平地 丘岗丘岗 丘陵丘陵 低山低山 中山中山绝对高度（绝对高度（H/M） 800相对高度（相对高度（ H/M） 200 200坡度（度）坡度（度） 3建立DEM模型自动获取自动获取H、 H、M、坡度、坡向坡度、坡向决策条件决策条件自动分类自动分类3、 淹没模型及淹没边界的计算淹没模型及淹没边